Микроканалы в будущее

 

Чем выше быстродействие современных процессоров, тем более совершенные системы охлаждения им нужны. Активные работы в этом направлении ведутся в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Успехи очевидны: Российский научный фонд выделил ученым 8-миллионный грант, а за технологическими решениями к нашим специалистам обращались из США и Европы.

 

Официальное название гранта — поверхностные явления в сложных микроразмерных двухфазных течениях. За этим скрывается целый ряд разработок, результаты которых можно будет применить максимально широко — от космических аппаратов до настольной лампы, причем некоторыми из них Институт теплофизики занимается уже почти 30 лет. 

 

Так, еще в конце 1980-х годов над проблемой охлаждения суперкомпьютеров трудились ведущие ученые СССР и США. Тогда военные ведомства двух сверхдержав только начинали использовать большие вычислительные мощности, и защита процессоров от перегрева имела стратегическое значение. Именно для решения этой задачи в 1988 году академиком Владимиром Елиферьевичем Накоряковым была создана лаборатория интенсификации процессов теплообмена (заведующий — профессор, д.ф.-м.н. Олег Александрович Кабов).

 

С начала 1990-х ИТ СО РАН поддерживает контакты с крупными учеными, работающими в рамках такой тематики — в том числе, с профессором Авраамом Бар-Коэном, который сейчас тесно сотрудничает с американским оборонным ведомством. Два года назад он предложил Институту теплофизики поучаствовать в международном гранте по созданию системы охлаждения для суперкомпьютера Министерства обороны США. 

 

— Пентагон вновь обратился к разработке сверхмощных процессоров для решения тех же задач, что и 25 лет назад, — рассказывает руководитель проекта, главный научный сотрудник лаборатории интенсификации процессов теплообмена, доктор физико-математических наук Евгений Анатольевич Чиннов. — Это дешифровка информации, управление стратегическими системами. Понятно, что здесь быстродействие компьютера является определяющим — тот, кто первым обработает данные и примет решение, будет иметь колоссальное преимущество. В чем же сложность? Уровень тепловых потоков в процессоре такого суперкомпьютера достигает огромных величин. Ставится задача отводить средний тепловой поток в 1 киловатт с 1 квадратного сантиметра. Поскольку поверхность процессора неравномерна, на некоторых точках размером всего 200х200 микрон эта цифра вырастает до 5 кВт/см2. В таком случае с охлаждением не справится даже самый быстрый вентилятор (для сравнения — обычный процессор, установленный в вашем компьютере, выделяет в 5-10 раз меньше тепла). Выход один — прямо в кристалле, непосредственно в месте нагрева, сделать канал размером не более сотни микрон, и по нему с большой скоростью подводить жидкость. Для интенсификации теплообмена в таких системах можно использовать новые типы нанопокрытий (нанотрубки, наноканаты).

 

Хотя сотрудничество новосибирских и американских ученых активно продолжается, развитие работ по этому проекту не получилось. Пентагону нужна была готовая технология, чтобы не тратить время на проверки и эксперименты. А идеи Института теплофизики в этом направлении в основном относятся к фундаментальной науке, однако, по словам Евгения Чиннова, подобная разработка имеет огромный практический потенциал с точки зрения будущего.

 

Микроканалы, через которые к чипам подается охлаждающая жидкость, можно использовать в наноспутниках и любой миниатюрной электронике. Еще одно перспективное направление — исследование термокапиллярных эффектов на границе раздела фаз. Эти эффекты проявляются при охлаждении жидкостью, которая стекает тонкой пленкой и снимает тепло с любых горячих объектов. Все вышеперечисленное ученые будут развивать в рамках гранта РНФ. 

 

— По данным направлениям мы планируем получить принципиально новые результаты, — говорит Евгений Чиннов. — Термокапиллярные эффекты будем исследовать в сочетании с интенсивными испарениями. В микроканалах изучим, как происходит кипение при изменении свойств поверхности нагрева за счет нанопокрытий. Очень интересно поработать над кипением при высоких скоростях и недогревах жидкости до температуры насыщения, а также процессом горения в микроканалах.

 

Финальные результаты ученые представят на международной конференции по исследованиям двухфазных систем при наземных условиях и микрогравитации. Эти ежегодные форумы проводятся с 2006 года и собирали ученых в Японии, США, Германии, Италии. В 2009 году ИТ СО РАН уже принимал такую конференцию, и этот опыт стал немаловажным преимуществом, когда в РНФ решали, кому выделить финансирование.

 

— По условию гранта одновременно с конференцией мы должны провести еще две международные школы для молодых ученых, где лекции прочтут специалисты мирового уровня. Поэтому форумов будет два — в 2016 и в 2017 году. В каждом из них примет участие около сотни исследователей, причем более половины — из других стран. Благодаря финансированию РНФ, для молодых специалистов на этих школах будет вообще все бесплатно.

 

Если результаты, о которых Евгений Чиннов и его коллеги расскажут на конференции, признают успешными, грант продлят еще на два года. Что будет с этими разработками дальше? Вопрос открытый. Задачи создать технологию и внедрить ее в практику РНФ не ставит. Как отмечает Евгений Чиннов, сейчас единственное направление его лаборатории, востребованное промышленностью — это охлаждение светодиодов. 

 

По этой теме ученые работали с крупными индийскими предпринимателями, но бизнесменам было важнее быстро запустить завод, закупив оборудование, чем заниматься развитием принципиально новых технологий охлаждения. В России же производства светодиодов практически нет — в основном, существующие фирмы просто собирают лампы из китайских комплектующих. Периодически эти предприятия обращаются в институт с локальными инженерными запросами — например, рассчитать параметры радиатора, но долгосрочной перспективы и интереса подобные задания пока не представляют. В настоящее время в Институте теплофизики ведутся работы по прикладным проектам ФЦП. В частности, разрабатывается испарительная система охлаждения мощного светодиода. В результате этой деятельности подаются российские и международные патенты на новые технические решения. Коллектив лаборатории надеется, что разрабатываемые устройства в итоге будут востребованы российской промышленностью. 

 

Павел Красин

 

Фото: (анонс, 1) — syl.ru, (2) — предоставлена Е. Чинновым